ANALYSIS OF LOW GLOBAL WARMING POTENTIAL FLUORIDE WORKING FLUIDS IN VAPOUR COMPRESSION SYSTEMS. EXPERIMENTAL EVALUATION OF COMMERCIAL REFRIGERATION ALTERNATIVES

Abstract

[EN] Climate change is one of the short term threats for the humanity because it can affect seriously to the environment and, consequently, to vegetal and animal life. If it is not stopped in next years, maybe this effect will be irreversible. Climate change is produced by anthropogenic emissions of Greenhouse Gas to Earth's atmosphere. Vapour compression systems are one of the main contributors to this phenomenon. Among them, commercial refrigeration applications, through HFC usage, can be highlighted. Since 1990s, developed countries supermarkets are using refrigerants (mainly R134a, R404A and R507A) with great impact (high GWP values) on the climate change due to leakages, especially from parallel compressor rack DX systems.

Recently, some regulations and directives have been approved to limit GWP values of HFC used in most extended refrigeration and air conditioning applications, directly affecting to commercial refrigeration. In this thesis, some low-GWP alternatives to replace the most commonly used HFC refrigerants in commercial refrigeration are evaluated, taking into account the limitations imposed by these regulations.

To carry out this evaluation, the current status of parallel compressor rack refrigeration systems and their fluids has been reviewed. Then, the different low-GWP options to replace R134a and R404A have been studied. HFOs and their mixtures with HFC have been highlighted as the most promising drop-in or retrofit alternatives. Thus, R1234yf, R1234ze(E) and R450A were proposed to replace R134a and R448A to substitute R404A.

The theoretical performance of the different low-GWP alternative fluids, as an overview of their potential use, has been studied at typical parallel compressor rack refrigeration operating conditions using the basic thermodynamic vapour compression cycle. Given the good theoretical performance of these refrigerants, they have been tested in a vapour compression test bench.

From the experimental results it is depicted that R1234yf and R1234ze(E) are not acceptable as drop-in or light retrofit refrigerants from an energetic point of view. These fluids, when used in R134a systems, require system modifications (more severe in the case of R1234ze(E)) to achieve acceptable energy efficiency values. Moreover, due to the large refrigerant charge in PCRRS, both HFOs could present problems relating to security.

Thus, while R450A presents a GWP value of 547, it appears as the best option to replace R134a due to the similar energy efficiency and properties. Its experimental mass flow rate and cooling capacity are slightly lower than R134a, but the final COP is approximately the same. The best R450A results when compared to R134a are obtained at higher CRs.

Although can obtain better efficiency results in new systems, with a minor TXV adjustment R448A shows very high performance when it is used in R404A systems. Despite R448A lower cooling capacity than that R404A, this HFC/HFO mixture can achieve great CO2 equivalent emission reductions and it is recommended as lower-GWP replacement for R404A.

[ES] El cambio climático es una amenaza para la humanidad ya que puede afectar seriamente al medio ambiente y, en consecuencia, a la vida animal y vegetal. Si en los próximos años no se actúa para detenerlo, tal vez este efecto sea irreversible. Entre otros factores, el incremento de la temperatura global es producido por las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero a la atmósfera.

La refrigeración comercial, basada en sistemas de compresión de vapor, contribuye de forma relevante a este fenómeno a través del uso de fluidos sintéticos como refrigerantes y del consumo de energía eléctrica procedente de combustibles fósiles. Desde la última década del siglo XX, los supermercados de países desarrollados utilizan HFCs como fluidos de trabajo, principalmente R134a, R404A y R507A. Estos gases, de alto potencial de calentamiento atmosférico (PCA), contribuyen al cambio climático al fugarse accidentalmente de los sistemas de refrigeración, destacando las centrales de compresores en paralelo conectadas a sistemas de expansión directa.

El valor máximo de PCA de los HFCs utilizados en aplicaciones de refrigeración y aire acondicionado va a ser controlado por normativas comunitarias, afectando directamente a los fluidos usados comúnmente en refrigeración comercial. Esta tesis evalúa diferentes alternativas de bajo PCA para sustituir los refrigerantes HFC más utilizados en refrigeración comercial, teniendo en cuenta las limitaciones impuestas por las normativas actuales.

Para llevar a cabo dicho estudio, se revisa el estado actual de los sistemas de centrales de compresores en paralelo y sus fluidos. A continuación, se analizan las diferentes opciones de bajo PCA para sustituir al R134a y R404A. Al destacar los HFOs y sus mezclas con HFCs como alternativas para realizar un reemplazo con pocas modificaciones del sistema (propiedades similares); R1234yf, R1234ze(E) y R450A son propuestos para sustituir al R134a y R448A para R404A.

El rendimiento teórico de los diferentes fluidos alternativos de bajo PCA, para obtener una visión general del potencial de su uso, se estudia simulando las condiciones operativas típicas de las centrales de compresores en paralelo, usando el ciclo termodinámico de compresión de vapor básico. Dado el buen rendimiento mostrado por estos refrigerantes, son ensayados en un banco de pruebas de compresión de vapor.

De los resultados experimentales se observa que R1234yf y R1234ze(E) no son aceptables desde un punto de vista energético como sustitutivos directos o con menores modificaciones. Dichos fluidos, cuando son utilizados en sistemas de R134a, requieren modificaciones del sistema (más severas en el caso del R1234ze(E)) para alcanzar valores aceptables de eficiencia energética. Por otra parte, debido a la gran carga necesaria en PCRRS, ambos HFOs podrían presentar problemas en cuanto a la seguridad.

Así, mientras que el R450A presenta un valor de PCA de 547, aparece como la mejor opción para sustituir al R134a debido a una eficiencia energética y propiedades similares. El caudal másico y la capacidad frigorífica del R450A son ligeramente inferiores en comparación con las del R134a, pero por otra parte, el COP resultante es aproximadamente el mismo. Los mejores resultados obtenidos para R450A son obtenidas a altas tasas de compresión.

Aunque puede ser obtenida una eficiencia energética más alta en sistemas de nuevo diseño, con sólo un ajuste menor de la válvula de expansión termostática, el R448A muestra valores muy altos de rendimiento en sistemas utilizados con R404A. A pesar de que la capacidad frigorífica del R448A es menor que la del R404A, esta mezcla de HFC y HFO puede dar lugar a grandes reducciones de emisiones de CO2 equivalentes, siendo así recomendado como reemplazo del R404A con menor PCA.

[CA] El canvi climàtic és una amenaça per a la humanitat ja que pot afectar seriosament el medi ambient i, en conseqüència, la vida animal i vegetal. Si en els propers anys no s'actua per aturar-lo, potser aquest efecte siga irreversible. Entre altres factors, l'increment de la temperatura global és produït per les emissions antropogèniques de gasos d'efecte hivernacle a l'atmosfera.

La refrigeració comercial, basada en sistemes de compressió de vapor, contribueix de manera rellevant a aquest fenomen per l'ús de fluids sintètics com refrigerants i pel consum d'energia elèctrica procedent de combustibles fòssils. Des de l'última dècada del segle XX, els supermercats dels països desenvolupats utilitzen HFCs com fluids de treball, principalment R134a, R404A i R507A. Aquests gasos, d'alt potencial d'escalfament atmosfèric (PCA en castellà), contribueixen al canvi climàtic quan s'escapen accidentalment dels sistemes de refrigeració. D'aquest tipus de sistemes destaquen com a grans emissors de diòxid de carboni les centrals de compressors en paral·lel connectades a sistemes d'expansió directa.

El valor màxim de PCA dels HFCs utilitzats en aplicacions de refrigeració i aire condicionat serà controlat per normatives comunitàries, cosa que afectarà directament els fluids utilitzats a la gran majoria de sistemes de refrigeració comercial. Aquesta tesi avalua diferents alternatives de baix PCA per substituir els refrigerants HFC més utilitzats en refrigeració comercial sense oblidar les limitacions imposades per les normatives actuals.

Per dur a terme aquest estudi, es revisa l'estat actual dels sistemes de centrals de compressors en paral·lel i els seus fluids. A continuació, s'analitzen les diferents opcions de baix PCA per substituir l'R134a i l'R404A. Els HFOs i les seves mescles amb HFCs com alternatives destaquen per permetre una substitució amb poques modificacions del sistema (propietats similars); R1234yf, R1234ze(E) i R450A són proposats per substituir l'R134a i R448A per l'R404A.

Per obtenir una visió general del potencial de l'ús dels diferents fluids alternatius de baix PCA, s'estudia el seu rendiment teòric mitjançant una simulació de les condicions operatives típiques de les centrals de compressors en paral·lel. Per a aquesta simulació s'empra el cicle termodinàmic de compressió de vapor bàsic. Com a conseqüència del bon rendiment mostrat per aquests refrigerants, són assajats en un banc de proves de compressió de vapor.

Dels resultats experimentals s'observa que R1234yf i R1234ze(E) no són acceptables des d'un punt de vista energètic com a substitutius directes o amb menors modificacions. Aquests fluids, quan són utilitzats en sistemes de R134a, requereixen modificacions del sistema (més severes en el cas de l'R1234ze(E)) per assolir valors acceptables d'eficiència energètica. D'altra banda, a causa de la gran càrrega necessària en PCRRS, tots dos HFOs podrien presentar problemes en temes de seguretat.

Així, mentre que el R450A presenta un valor de PCA de 547, apareix com la millor opció per substituir l'R134a a causa de una eficiència energètica i propietats similars. El cabal màssic i la capacitat frigorífica de l'R450A són lleugerament inferiors en comparació amb les de l'R134a, però d'altra banda, el COP resultant és aproximadament el mateix. Els millors resultats de l'R450A són obtinguts a altes taxes de compressió.

Tot i que pot ser obtinguda una eficiència energètica més alta en sistemes de nou disseny, amb només un ajust menor de la vàlvula d'expansió termostàtica, l'R448A mostra valors molt alts de rendiment en sistemes utilitzats amb R404A. Encara que la capacitat frigorífica de l'R448A és menor que la de l'R404A, aquesta barreja de HFCs i HFO pot aconseguir grans reduccions d'emissions de CO2 equivalents, i es per tant es recomanada com a reemplaçament amb menor PCA de l'R404A.